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中国麦类赤霉病菌群体遗传多样性及生态适应性研究

张昊  
【摘要】:由镰刀菌引起的赤霉病(Fusarium head blight)是危害小麦、大麦、玉米、水稻等多种禾谷类作物的一种重要病害,广泛分布于世界温暖潮湿地区。赤霉病不仅造成作物产量的损失,其主要病原菌禾谷镰刀菌复合种还能产生单端孢霉烯族毒素(trichothecene),对人畜健康造成严重威胁。 O'Donnell等(2004)采用宗系谱法构建了禾谷镰刀菌新的分类框架,认为传统的禾谷镰刀菌是一个复合种Fusarium graminearum species complex (FGSC),并将其划分成了13个种。我国迄今为止尚未开展赤霉病菌在新的分类框架下全面系统的分类鉴定研究。本研究对我国麦类赤霉病菌进行了全面而系统的种和毒素类型的鉴定,并对优势群体进行了群体遗传多样性分析和基础生物学特性鉴定。旨在明确我国麦类赤霉病菌的种群及毒素类型构成,揭示群体间的遗传分化及重组情况,监测群体遗传结构的动态变化,阐明病原菌的演化方向及其生态适应性,为麦类作物抗赤霉病育种、新病害防治策略的开发设计和镰刀菌毒素积累的田间控制提供理论依据。 1.大麦赤霉病菌毒素相关的群体遗传多样性研究对从中国长江流域大麦上采集的452株F. asiaticum进行了产毒类型鉴定和可变数目串联重复序列多态性(Variable number of tandem repeats, VNTR)分析。揭示了中国南方大麦F. asiaticum的群体遗传结构与地理分布和产毒类型具有明显的相关性。产生Nivalenol (NIV)毒素和3-acetyldeoxynivalenol (3ADON)毒素的F. asiaticum群体之间存在着极显著的遗传分化,并且通过贝叶斯杂合模型分析,发现在基因组水平上3ADON群体存在明显的由东向西取代NIV群体的扩张趋势。 2.小麦赤霉病菌种和毒素类型的鉴定采集了全国15个省份175个采样点的小麦赤霉病穗,建立了我国最大的小麦赤霉病菌菌种库和基因库。采用多位点基因分型法(Multilocus genotype assay)对样品进行种和产毒类型的鉴定,发现我国小麦赤霉病菌的种和产毒类型具有明显的地理分化,北部黄淮海麦区和东北麦区的菌株主要为产15-acetyldeoxynivalenol (15ADON)毒素的F. graminearum s. str.,南部的长江中下游麦区主要为产3ADON毒素的F. asiaticum,而西南麦区主要为产NIV毒素的F. asiaticum。 3.小麦赤霉病菌群体遗传多样性研究基于贝叶斯杂合模型的可变数目串联重复序列多态性(VNTR)分析将病原菌划分成三个具有显著遗传分化的群体。Fg15ADON相对独立,群体内为一个大的随机交配群体,Fa3ADON和FaNIV群体交流较多,并具有明显的过渡类群分布。其中,FaNIV群体表现出显著的分化,其中33%的菌株与产3ADON毒素的菌株相似度很高,说明存在一个明显偏向的基因流从3ADON流向NIV群体,这表明在基因组水平上,3ADON群体具有明显的取代NIV群体的扩张趋势,而取代很可能是通过杂交来实现的。 4.小麦赤霉病菌不同群体生态适应性研究从每个群体随机选出20个菌株,对其进行7项基础生物学特性的鉴定。结果显示相对于FaNIV群体,Fa3ADON群体在所测试的7个生物学特性均具有显著的优势,其致病性强,病菌侵染量大,生长速率快,能产生更大更多的分生孢子,毒素产量极大,并且对多菌灵的抗药性更强。Fa3N群体在产孢量、孢子大小和抗药性3个方面也显著高于FaNIV群体。上述基础生物学测试结果与群体遗传结构分析结果吻合,说明Fa3ADON群体是优势群体,具有更强的生态适应性,它的群体扩张是合理的。同时,建立了基于高熔点分辨曲线的高通量抗药性检测方法。


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